CN100527965C - 脱水方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对未受损的植物或动物组织的片段进行脱水的方法，所述片段含有至少30重量%的水，该方法包括(i)将未受损的组织的片段与加压气体相接触以减少该片段的至少50%的含水量，所述加压气体具有至少0.5xPc的压力和至少Tc-60℃的温度，Pc代表所述气体的临界压力，Tc代表所述气体的临界温度，以及(ii)将加压气体与脱水片段分离，其中由该气体从未受损的植物或动物组织的片段去除的物质的至少80重量%、优选至少90重量%为水。本发明还提供一种对含有至少30重量%的水的材料进行脱水的方法，使用前述的方法，然后通过将分离的加压气体与水吸收剂水吸附剂接触以将所述加压气体干燥；并将干燥的加压气体循环至部分脱水的材料。

Description

脱水方法
技术领域
本发明涉及一种将未受损的植物或动物组织的片断——例如水果、蔬菜、肉类、贝类或其部分——进行脱水的方法。本方法获得的脱水片段在加水时能够基本上即时而大体均匀地复原。而且复原后获得的复水片段显示出与原始片段非常相似的外观和结构。
本发明还提供一种对材料脱水的方法，包括(i)将所述材料与提取溶剂相接触以减少材料的含水量；(ii)将溶剂与部分脱水的材料分离；(iii)通过将所得的溶剂与水吸收剂或吸附剂接触以将溶剂干燥；以及(iv)将干燥的溶剂循环至部分脱水的材料。
背景技术
在食品加工领域中众所周知对食物材料例如蔬菜脱水，以防止腐烂和/或减少重量。在食用前需要使用水将这种脱水材料复原以恢复原始(新鲜)食物材料的外观和食用品质(味道、质地等)。
本领域的现有技术关注于对新鲜产品进行相当剧烈的脱水处理(例如热风干燥)和/或对产品进行复杂的处理(例如冷冻干燥)并在一些情况下使用化学处理。所述方法对新鲜原料的许多特性的不利影响已经众所周知。例如热风干燥通常对于新鲜原料的味道和颜色具有显著的不利影响。而且热风干燥产品通常不能很好地复水。冷冻干燥通常获得在味道和颜色方面优于热风干燥产品的脱水产品。但是已知冷冻干燥会导致细胞破裂并且增加蔬菜的透水性。而且因为冷冻干燥是消耗许多能量的很缓慢的过程，因此不是特别地经济。
简而言之，现有技术早已认识到需要一种简单有效的方法用于保持未受损的植物或动物组织的片段的新鲜特性。此外通常还需要一种不会由于例如热导致的损伤或氧化损伤而对原料的想要的特性产生不利影响的经济的脱水方法。
发明内容
出乎意料地，本发明的发明人发现可以通过使用具有至少0.5xPc的压力和至少Tc-60℃的温度的加压气体对未受损的植物或动物的组织片段进行脱水同时保持新鲜特性，其中Pc代表所述气体的临界压力，Tc代表所述气体的临界温度。更具体地，发现通过加压气体进行脱水获得的脱水片段在复水后表现出与新鲜性相关的品质，例如自然的外观、味道、质地和产品完整性。同时脱水产品的保存期限与未处理的产品相比明显延长。而且通过本方法获得的脱水片段的复水快速且容易。
尽管发明人不希望受理论的限制，然而，现认为本方法的前述优点与整个脱水过程中组织的细胞结构未受损伤有关。而且本方法可适宜地在较低的温度下进行(例如环境温度)。因此也可以避免暴露在热中所导致的有害作用。
发明人还发现液化的气体或超临界气体可有利地用于含水材料的脱水，尤其是对于含有热敏组分或易于氧化组分的材料。对这种材料的热风干燥会导致显著的品质损失，而冷冻干燥通常是不经济的。当使用加压气体对这些含水材料进行脱水时，使加压气体循环通过含水材料和水吸收剂或水吸附剂以避免水的饱和是非常有利的。
US 6,026,565描述了一种使用次临界或超临界流体从含脂类的食物中去除甾醇和/或脂类成分的方法。在该美国专利中指出在减小颗粒步骤之后，使用次临界或超临界流体去除水。当达到一定的含湿量时，也将提取出脂肪和胆固醇。据称肉应干燥到30-55％重量/重量范围。该美国专利中的实例显示出显著去除水时伴随着大量的脂肪的提取。
具体实施方式
因此，本发明的一方面涉及对未受损的植物或动物组织的片段进行脱水的方法，所述片段含有至少30重量％的水，该方法包括(i)将未受损组织的片段与加压气体相接触以减少该片段的至少50％的含水量，所述加压气体具有至少0.5xPc的压力和至少Tc-60℃的温度，Pc代表所述气体的临界压力，Tc代表所述气体的临界温度；以及(ii)将加压气体与脱水片段分离，其中由加压气体从未受损的植物或动物组织的片段去除的物质中至少80重量％为水。
本文中所使用的涉及植物或动物组织的术语“未受损的”意为所述组织基本未受损伤(尽管其可能经过例如热烫)，意味着单个细胞没有破裂并且仍互相连接。因此进行了捣碎或研磨——经常作为干燥或提取之前的预处理——的组织不能被视为未受损的组织。术语“未受损的植物或动物组织的片段”包括用切割或等效的技术移除的植物或动物组织的部分，同时这样获得的片段中的组织仍保持基本未受损。
本文中使用的术语“气体”指在压力为1个大气压、温度为20℃时为气态的、并且可通过将压力提高到至少10个大气压、优选至少20个大气压而转变为液态或超临界状态的物质或元素或者物质和/或元素的混合物。
在将此方法用于对较大的未受损组织的片断进行脱水时，本发明的优点尤其显著。因此在本发明的一个尤其优选的实施方案中，需要进行脱水的片段的至少50％(体积/体积)具有至少0.05g的重量，优选至少为0.1g，更优选至少为0.3g。
可有利地使用本方法进行脱水的未受损的植物组织片段的典型实例包括蔬菜、水果、草本植物、香料以及这些植物材料的部分和它们的任何可能的混合物。本方法优选用于对蔬菜(包括豆类)和水果进行脱水。可适宜地使用本方法进行脱水的动物组织片段的实例包括贝类、虾、牛肉、猪肉、鸡肉和鱼肉。
本发明的一个重要优点与通过以上方法获得的脱水片段的良好的复水性相关。所述脱水性的一个量度被称为复水率(rehydrationratio)。复水率定义为复水5分钟后复原的产品的重量与复水前脱水产品的重量之比。一般地，本方法获得的脱水片段的复水率超过3。优选前述复水率超过3.5，更优选甚至超过4。
另一种脱水片段的复水性的量度为复水能力(rehydrationcapacity)。复水能力定义为(a)与(b)的商，其中(a)为复水片段的质量减干燥材料的质量，(b)为新鲜材料的质量减干燥材料的质量。同样，在复水5分钟后测定复水片段的质量。
复水能力尤其适用于确定由含湿量较低(例如40-75重量％)的组织片段获得的脱水片段的复水性。肉类组织通常比多数植物组织具有低得多的含湿量，这是复水能力更适于确定肉类脱水片段的复水性的原因。一般地，本方法获得的脱水片段的复水能力超过0.3。更优选复水能力超过0.33，最优选该比例超过0.35。
一般地，通过本方法获得的脱水片段含有低于20重量％的水，优选低于10重量％的水。本方法获得的脱水片段的水活度有利地低于0.6，尤其是低于0.3。
与例如冷冻干燥相比，本方法具有可达到显著更高的脱水速度的优点。本方法中，未受损的植物或动物组织的片段一般与加压气体接触至少30分钟以达到含湿量的大幅度降低。根据原料的含湿量和片段的大小，通常可在1-12小时肉达到充分脱水。
一般地，水在加压气体中的溶解度相当低。因此，为了避免使用大量的加压气体，优选使加压气体循环通过能去除提取的水的装置。因此在一个尤其优选的实施方案中，将加压气体分离后，所述加压气体通过去除其中所含的水而干燥，并将这样获得的干燥加压气体循环至未受损的植物或动物组织的片段。通过从加压气体中选择性地去除水，可使对水以外的成分的提取有效地最小化。尤其是如果使用相对较小体积的加压气体，该气体会对水以外的可提取物质迅速达到饱和，此后对这些可提取物质的进一步提取将达到最少。
可通过任何本领域已知的方法将水从循环的加压气体中去除。可通过例如降低气体的压力和/或温度以大幅度降低其中水的溶解度从而回收提取的水。或者，在一种优选的实施方案中，通过将加压气体与和所述加压气体不混溶的水吸附剂或水吸收剂相接触以从加压气体中去除水。水吸附剂或水吸收剂可以是液体或固体材料，优选为颗粒材料。适宜的吸附剂和吸收剂的实例包括活化硅酸盐，包括活性粘土和硅铝酸盐；无机盐(例如氯化钙、碳酸氢钠、碳酸钠和硫酸钙)；高吸水性高分子(例如聚丙烯酸酯、丙烯酸酯共聚物、聚氨基葡糖盐和经表面活性剂处理的聚烯烃，例如经表面活性剂处理的聚丙烯)；纤维素、淀粉和改性淀粉。应指出纤维素和淀粉适合以天然有机材料形式使用，例如玉米芯、纸、棉花、软木、泥炭或稻草。
根据一个尤其优选的实施方案，通过将加压气体与活化硅酸盐——特别是微孔硅酸盐(尤其优选硅铝酸盐，例如沸石3A和4A)——相接触以除去所述气体中的水，这是由于这些硅酸盐能够选择性地去除水而不从加压气体中提取较大的分子，例如香味分子。因此植物或动物组织中水以外的(想要的)组分的提取被有效地降到最小。
可适宜地利用水吸收剂和/或水吸附剂材料的使用量来控制从未受损的植物或动物组织片段中去除的水的量。一旦水吸收剂或水吸附剂材料的水去除容量被用尽，则不再有水被提取。因此可以计算出去除预先确定量的水需要多少吸收剂/吸附剂。
本方法的效能可适宜地通过连续监测循环加压气体的含湿量来进行控制。例如，如果已与植物或动物组织片段接触的气体的湿度降低到低于某一预先设定的值，则这可作为处理可以停止的标志。此外，如果已流经水吸收剂或水吸附剂中/上的气体的含湿量超过了另一预先设定的值，则说明循环流量应减少和/或水吸附剂或水吸收剂材料应更换或再生。
改变本方法在各阶段的干燥速度以使脱水片段的品质达到最优，这是有利的。可通过去除或添加水吸收剂/吸附剂材料(同时保持压力)和/或改变循环流速和/或使一部分流量改向使其流经水吸收剂/吸附剂材料来控制干燥速度。根据一种优选的实施方案，本方法采用加压气体的高初始流速，该流速随着水分提取的进行逐渐降低。一般地，本方法中使用的流速为至少5升每小时每100g原料(未受损的植物或动物组织的片段)。
在本方法的一种有利的实施方案中，使加压气体渗透过未受损的植物或动物组织的片段的床层。该床层可适宜地由堆积起来的单个片段堆构成。还可以有利地使用两个或多个竖直排列的筛板，在每个筛板上放置一层片段。或者，可以使用水平排列，尤其是需要避免附着在片段上的水低落到位置较低的片段上时，比如说因为这会导致变色。本方法中脱水片段适宜地在将压力和温度调整到环境条件之前与加压气体分离。压力和温度的调整优选在足够慢的速度下进行以使组织细胞的结构基本不受损。更具体地，压力降低的速度不超过10,000Pa/s、尤其不超过7,500Pa/s是有利的。
本发明还提供对含有至少30重量％水的材料进行脱水的方法，该方法包括(i)将所述材料与加压气体相接触以减少材料的含水量；(ii)将加压气体与部分脱水的材料分离；(iii)将如此获得的加压气体与水吸收剂或水吸附剂接触以将所述加压气体干燥；以及(iv)将干燥的加压气体循环至部分脱水的材料，其中组成中的含水量降低了至少50％。如前所述，通过持续从循环的加压气体中去除水，可以十分有效地使水以外的其他组分的提取降至最小。
本发明的脱水方法适宜地在片段与加压气体接触过程中使用接近加压气体的临界压力的压力。优选地，加压气体的压力至少为0.7xPc。更优选加压气体的压力为至少0.8xPc。加压气体的压力通常不超过10xPc，优选不超过5xPc。
在与植物或动物组织的片段接触的过程中加压气体温度有利地为至少Tc-40℃。更优选所述温度为至少Tc-30℃。在一种优选的实施方案中，加压气体的温度不超过Tc+60℃，更优选不超过Tc+40℃。在一种尤其优选的实施方案中，在接触步骤中加压气体的温度不超过70℃，更优选不超过50℃，最优选不超过40℃。
根据一种尤其优选的实施方案，本方法中使用的加压气体为液化气体或超临界气体。
本方法中使用的加压气体有利地选自二氧化碳、一氧化二氮、乙烷、乙烯丙烷(ethylene propane)、环丙烷、丙烯、丁烷以及上述物质的混合物。在一种尤其优选的实施方案中，加压气体为压力至少40bar，温度0℃至200℃的二氧化碳。
为了从植物或动物组织片段中提取出相当量的水，将所述片段与低含湿量的液化气体或超临界气体相接触是很重要的，所述低含湿量例如含水量低于0.3重量％，更尤其是含水量低于0.1重量％。
本领域中众所周知将超临界气体——例如二氧化碳——用于从植物材料中提取脂类、咖啡因、香味成分和颜色成分。本发明的一个目的是提供一种使前述成分仍保留在植物或动物组织的片段中的方法。因此，在一种优选的实施方案中，由本方法的加压气体去除的物质的至少90重量％是水。甚至更优选至少95％的所述物质是水。
如前所述，本领域中众所周知使用超临界或近临界(nearcritical)气体选择性地从植物材料中提取水以外的成分。通常这些方法使用预先干燥的原料。本发明提供这样一种方法，其中预先干燥和提取均由加压气体完成。因此本发明的这一具体实施方案涉及本说明书前面所述的方法，其中该方法包括将材料的含水量降低到低于10％，然后使用同样的气体对所获得的脱水材料进行提取，所述气体为加压状态，其中提取过程去除至少1％的亲脂材料，所述比例以所述材料中所含干物质重量计。在本发明的一个尤其优选的实施方案中，干燥步骤和提取步骤在同一设备中进行，优选不从设备中移除植物或动物组织片段直到提取过程完成。
本发明另一方面涉及加压气体用于对含有至少30重量％水的未受损的植物或动物组织片段进行脱水以获得复水率超过3的脱水片段的用途，所述加压气体具有至少0.5xPc的压力和至少Tc-60℃的温度。
本发明通过以下实施例进一步加以说明。
实施例
实施例1-无循环分批式干燥青花椰菜
实验步骤
实验在1升压力容器中进行，该容器可通过充有油的夹套进行加热或冷却。实验中，容器中装入500g 3A型沸石(J.T.Baker
Figure C20058002712600101
)。沸石上放置网板(maze)，其上放置65g用聚酯布包裹的青花椰菜片段。实验之前，对青花椰菜进行解冻和称重。将液态二氧化碳(65bar)引入容器中并达到使青花椰菜和沸石均被浸没的水平。夹套温度设置在所需的温度(22℃)。提取持续16小时。然后通过安装在容器底部的阀门将CO2从容器中移除。压力释放后，将容器打开并对青花椰菜称重以测定质量减少。
结果
按上述方法使用液态二氧化碳进行处理后，发现青花椰菜的重量减少了85％。
实施例2-循环分批式干燥青花椰菜
在一6升容器中进行两次实验，在脱水过程中通过使用循环泵不断使CO2在该容器中流动。如实施例1中所述，将大约70g青花椰菜——包裹有聚酯布——放在网板上，该网板放置在700g沸石3A的床层上。CO2从底部向上流动。使用油通过夹套对容器进行加热。除了在脱水过程中将循环泵打开以提高干燥速度以外，所采用步骤与前一实施例中所述的相同。实验中使用的条件和获得的结果总结如下表：
  重量比青花椰菜/沸石 P(bar)   T(℃)  提取时间(h)   重量减少   含湿量   水活度   复水能力   复水率
  1   0.09   80   28   10   90％   11.2％   0.470   0.48   5.37
  2   0.10   140   43   7   -   8.7％   0.479   0.65   7.13
实施例3-在分离的容器中干燥新鲜青花椰菜
将新鲜青花椰菜切割成大小为1-2cm的片段。将片段热烫90秒。通过将附着的水吸附在纸织物上以去除。将青花椰菜放在四个盘中并放入第一容器。容器壁配有电热线。将沸石3A放在棉支架(cotton holder)中放入第二容器中。第二容器配有夹套，热水可流经该夹套以加热容器和内容物。第二容器通过底部和阀门与第一容器连接。第一容器通过底部与循环泵的入口连接。第一容器的出口通过阀门与第二容器的顶部连接。在连接第一容器和循环泵的管路中，设置了液体分离器以在处理过程中去除液态水。在液体分离器和循环泵之间，放置了传感器以测量二氧化碳的相对湿度。还有一条通路连接到第二容器以添加二氧化碳。
本方法包括通过套管冷却器和膜式泵向第二容器添加二氧化碳，使第二容器和内容物加热到40℃。然后第二容器和循环泵之间的通路打开。添加二氧化碳直至达到100bar的压力。二氧化碳在沸石和青花椰菜上循环。湿度传感器被用作需要的处理时间和需要的循环速度的标示。6小时后，停止循环泵，将压力在0.5小时内释放。将青花椰菜装入密封袋以待分析。
分析表明干燥的青花椰菜的水活度为0.33，复水能力为0.59，复水率为6.68。
实施例4 其他蔬菜和水果的干燥
使用与实施例3所述相似的方法，对其他蔬菜和水果进行干燥。所述蔬菜和水果为：苹果的部分、韭葱和辣椒(红灯笼辣椒(paprika))。韭葱在干燥之前热烫90秒。干燥条件为100bar和39℃。干燥时间为8小时。在0.5小时内将压力释放到大气压。
测量了质量减少和水活度。
  质量减少   水活度
  苹果   86.3％   0.439
  韭葱   91.1％   0.499
  红灯笼辣椒   90.4％   0.573
实施例5 草本植物的干燥
在类似实施例2所述的实验中，干燥了新鲜草本植物(香芹菜、细香葱)。用较小的(1升)容器代替6升容器以使挥发物损失最小化。干燥过程中的压力为100bar，温度为40℃。干燥时间为5小时。在半小时内将压力释放到大气压。干燥了7.8g和5.4g的香芹菜。沸石与草本植物的比例为30∶1。对于香芹菜，最终水含量从88％降低到3％(重量/重量)。对于细香葱，从89％降低到7％(重量/重量)。
实施例6 肉类的干燥
在类似实施例4所述的实验中，干燥了肉类的部分(5-10mm)。干燥时间为21小时。温度为38℃，压力为100bar。沸石与肉的比例为10∶1。对猪肉块、牛肉以及鸡肉片进行了干燥。测量了质量减少。此外，测定了水含量、脂肪含量、复水能力和复水率。结果如下表所示
Figure C20058002712600121

Claims (20)

1.一种对未受损的植物或动物组织的片段进行脱水的方法，所述片段含有至少30重量％的水，该方法包括(i)将所述未受损的组织的片段与加压气体相接触以减少该片段至少50％的含水量，所述加压气体具有至少0.5xPc的压力和至少Tc-60℃的温度，Pc代表所述气体的临界压力，Tc代表所述气体的临界温度；以及(ii)将加压气体与脱水片段分离，其中脱水片段含有低于20重量％的水，并且由加压气体从该未受损的植物或动物组织的片段去除的物质的至少80重量％为水。
2.权利要求1的方法，其中由加压气体从该未受损的植物或动物组织的片段去除的物质的至少90重量％为水。
3.权利要求1的方法，其中需要进行脱水的片段的至少50％(体积/体积)具有至少0.05g的重量。
4.权利要求3的方法，其中需要进行脱水的片段的至少50％(体积/体积)具有至少0.1g的重量。
5.权利要求1-4之一的方法，其中脱水片段的水活度低于0.6。
6.权利要求1-4之一的方法，其中脱水片段的复水率超过3。
7.权利要求6的方法，其中脱水片段的复水率超过4。
8.权利要求1-4之一的方法，其中将未受损的植物或动物组织的片段与加压气体接触至少30分钟。
9.权利要求8的方法，其中将未受损的植物或动物组织的片段与加压气体接触1至12小时。
10.权利要求1-4之一的方法，其中在分离加压气体后，通过除去其中所含的水将所述加压气体干燥，并将由此获得的干燥加压气体循环至未受损的植物或动物组织的片段。
11.权利要求10的方法，其中通过将加压气体与和所述加压气体不混溶的水吸收剂或水吸附剂接触以将水从加压气体中去除。
12.一种对含有至少30重量％水的未受损的植物或动物组织的片段进行脱水的方法，所述方法包括(i)将所述未受损的组织的片段与加压气体相接触以减少片段中的含水量，所述气体具有至少0.5xPc的压力和至少Tc-60℃的温度；(ii)将加压气体与部分脱水的片段分离；(iii)通过将所获得的加压气体与水吸收剂或水吸附剂接触以将所述加压气体干燥；以及(iv)将干燥的加压气体循环至部分脱水的片段，其中组成中的含水量降低至少50％，并且其中脱水片段含有低于20重量％的水。
13.权利要求1-4之一或权利要求12的方法，其中加压气体为液化气体或超临界气体。
14.权利要求1-4之一或权利要求12的方法，其中气体选自二氧化碳、一氧化二氮、乙烷、乙烯丙烷、环丙烷、丙烯、丁烷以及上述物质的混合物。
15.权利要求1-4之一或权利要求12的方法，其中加压气体为压力至少40bar且温度在0℃到200℃之间的二氧化碳。
16.权利要求1-4之一或权利要求12的方法，其中与未受损的组织的片段相接触的加压气体的含水量低于0.1重量％。
17.权利要求1-4之一或权利要求12的方法，其中脱水片段含有低于10重量％的水。
18.权利要求1-4之一或权利要求12的方法，包括将所述片段的含水量降低到10％以下，然后使用同样的气体对所获得的脱水片段进行提取，所述气体处于加压状态，其中提取去除至少1％的亲脂材料，所述比例以所述片段中所含干物质重量计。
19.加压气体用于对含有至少30重量％水的未受损的植物或动物组织片段进行脱水的用途，所述加压气体具有至少0.5xPc的压力和至少Tc-60℃的温度，其中脱水片段含有低于20重量％的水。
20.权利要求19的用途，其中脱水片段的复水率超过3。
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